Организация файловой системы на диске

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы – табличный. Поверхность жесткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). Поскольку нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, записанными на диске, к ней предъявляются особые требования надежности, и она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Поскольку размер FAT-таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

В операционной системе Windows 98 и выше используется более файловая система – FAT32 с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов. Для дисков размером до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).

Эта файловая система предусматривает ряд специальных областей на диске, выделенных для организации пространства диска в процессе его форматирования – головную запись загрузки, таблицу разбиения диска, запись загрузки, таблицу размещения файлов (от которой система FAT и получила свое название) и корневой каталог. На физическом уровне пространство диска разбивается на 512-байт области, называемые секторами. В системе FAT место для файлов выделяется блоками, которые состоят из целого числа секторов и именуются кластерами. Число секторов в кластере должно быть кратно степени двойки.

В системе FAT файлам всегда выделяется целое число кластеров. На 1,2-Гбайт жестком диске с 32-Кбайт кластерами в каталоге может быть указано, что размер текстового файла, содержащего слова "hello, world", составляет всего 12 байт, но на самом деле этот файл занимает 32 Кбайт дискового пространства. Неиспользованная часть кластера называется потерянным местом (slack). В небольших файлах почти весь кластер может быть потерянным местом, а в среднем потери составляют половину размера кластера.

На 850-Мбайт жестком диске с 16-Кбайт кластерами при среднем размере файлов порядка 50 Кбайт около 16% отведенного под файлы дискового пространства будет потеряно на неиспользуемые, но выделенные файлам области. Один из способов высвобождения пространства на диске – с помощью программ сжатия диска, например DriveSpace, которая выделяет "потерянные места" для использования другими файлами.

В файловой системе FAT32 как элементы FAT, так и номера секторов – 32-разрядные. Вот что это значит: умножим 2³² (4 294 967 296) различных 32-разрядных значений на 512 байт в секторе и получим огромное число 2 Тбайт (2 199 023 255 552 байт), которое представляет собой максимально возможную емкость диска при использовании FAT32.

Операционная система всегда предусматривала наличие на диске двух экземпляров FAT, но использовался только один из них. Операционная система может работать с любой из этих копий. FAT32 не поддерживает установку разрешений на доступ к файлам и папкам и некоторые другие функции современных операционных систем.

NTFS – стандартная файловая система для семейства операционных систем Microsoft Windows NT. Раздел NTFS, теоретически, может быть почти какого угодно размера. Предел, конечно, есть, но не будем его указывать, так как его с запасом хватит на последующие сто лет развития вычислительной техники при любых темпах роста.

Как и любая другая система, NTFS делит все полезное место на кластеры. NTFS поддерживает почти любые размеры кластеров – от 512 байт до 64 Кбайт, неким стандартом же считается кластер размером 4 Кбайт.

Диск NTFS условно делится на две части. Первые 12% диска отводятся под так называемую MFT зону – пространство, в которое растет метафайл MFT. Запись каких-либо данных в эту область невозможна. MFT-зона всегда держится пустой – это делается для того, чтобы самый главный, служебный файл (MFT) не фрагментировался при своем росте. Остальные 88% диска представляют собой обычное пространство для хранения файлов.

Свободное место диска, однако, включает в себя всё физически свободное место – незаполненные куски MFT-зоны туда тоже включаются. Механизм использования MFT-зоны таков: когда файлы уже нельзя записывать в обычное пространство, MFT-зона просто сокращается (в текущих версиях операционных систем ровно в два раза), освобождая место для записи файлов. При освобождении места в обычной области MFT зона может снова расширится. При этом не исключена ситуация, когда в этой зоне остались и обычные файлы: никакой аномалии тут нет. Что ж, система старалась оставить её свободной, но ничего не получилось. Метафайл MFT все-таки может фрагментироваться, хоть это и было бы нежелательно.

Каждый элемент файловой системы представляет собой файл – даже служебная информация. Самый главный файл на NTFS называется MFT, или Master File Table – общая таблица файлов. Именно он размещается в MFT зоне и представляет собой централизованный каталог всех остальных файлов диска, и, как не парадоксально, себя самого. MFT поделен на записи фиксированного размера (обычно 1 Кбайт), и каждая запись соответствует какому либо файлу (в общем смысле этого слова). Первые 16 файлов носят служебный характер и недоступны операционной системе – они называются метафайлами, причем самый первый метафайл – сам MFT. Эти первые 16 элементов MFT – единственная часть диска, имеющая фиксированное положение. Интересно, что вторая копия первых трех записей, для надежности хранится ровно посередине диска. Остальной MFT-файл может располагаться, как и любой другой файл, в произвольных местах диска – восстановить его положение можно с помощью его самого, "зацепившись" за самую основу – за первый элемент MFT.

Преимущество такого подхода заключается в поразительной гибкости. Например, на FAT-е физическое повреждение в самой области FAT фатально для функционирования всего диска, а NTFS может сместить, даже фрагментировать по диску, все свои служебные области, обойдя любые неисправности поверхности – кроме первых 16 элементов MFT.

Метафайлы находятся корневом каталоге NTFS диска – они начинаются с символа имени. В следующей таблице приведены используемые в данный момент метафайлы и их назначение.

$MFT	сам MFT
$MFTmirr	копия первых 16 записей MFT, размещенная посередине диска
$LogFile	файл поддержки журналирования (журнал транзакций)
$Volume	служебная информация - метка тома, версия файловой системы, т.д.
$AttrDef	список стандартных атрибутов файлов на томе
$.	корневой каталог
$Bitmap	карта свободного места тома
$Boot	загрузочный сектор (если раздел загрузочный)
$Quota	файл, в котором записаны права пользователей на использование дискового пространства
$Upcase	файл-таблица соответствия заглавных и прописных букв в имен файлов на текущем томе. Нужен в основном потому, что в NTFS имена файлов записываются в Unicode

NTFS – отказоустойчивая система, которая вполне может привести себя в корректное состояние при практически любых реальных сбоях. Любая современная файловая система основана на таком понятии, как транзакция – действие, совершаемое целиком и корректно или не совершаемое вообще. У NTFS просто не бывает промежуточных состояний – квант изменения данных не может быть поделен на до и после сбоя, принося разрушения и путаницу – он либо совершен, либо отменен.

Пример 1. Осуществляется запись данных на диск. Вдруг выясняется, что в то место, куда мы только что решили записать очередную порцию данных, писать не удалось - физическое повреждение поверхности. Поведение NTFS в этом случае довольно логично: транзакция записи откатывается целиком – система осознает, что запись не произведена. Место помечается как сбойное, а данные записываются в другое место – начинается новая транзакция.

Пример 2. Идет запись данных на диск. Вдруг отключается питание и система перезагружается. На какой фазе остановилась запись, где есть данные, а где чушь? На помощь приходит другой механизм системы – журнал транзакций. Дело в том, что система, осознав свое желание писать на диск, пометила в метафайле это свое состояние. При перезагрузке это файл изучается на предмет наличия незавершенных транзакций, которые были прерваны аварией и результат которых непредсказуем – все эти транзакции отменяются: место, в которое осуществлялась запись, помечается снова как свободное, индексы и элементы MFT приводятся в с состояние, в котором они были до сбоя, и система в целом остается стабильна. Ну а если ошибка произошла при записи в журнал? Тоже ничего страшного: транзакция либо еще и не начиналась (идет только попытка записать намерения её произвести), либо уже закончилась – то есть идет попытка записать, что транзакция на самом деле уже выполнена. В последнем случае при следующей загрузке система сама вполне разберется, что на самом деле всё и так записано корректно, и не обратит внимания на "незаконченную" транзакцию.

NTFS содержит множество средств разграничения прав объектов. Есть мнение, что это самая совершенная файловая система из всех ныне существующих. В теории это, без сомнения, так, но в текущих реализациях, к сожалению, система прав достаточно далека от идеала и представляет собой хоть и жесткий, но не всегда логичный набор характеристик. Права, назначаемые любому объекту и однозначно соблюдаемые системой, эволюционируют – крупные изменения и дополнения прав осуществлялись уже несколько раз и к Windows 2000 все-таки они пришли к достаточно разумному набору.

Права файловой системы NTFS неразрывно связаны с самой системой – то есть они, вообще говоря, необязательны к соблюдению другой системой, если ей дать физический доступ к диску.

	FAT	FAT32	NTFS
Системы, её поддерживающие	DOS	Windows98, NT5	NT4, NT5
Максимальный размер тома	2 Гбайт	практически неограничен	практически неограничен
Макс. число файлов на томе	примерно 65 тысяч	практически не ограничено	практически не ограничено
Имя файла	с поддержкой длинных имен - 255 символов, системный набор символов	с поддержкой длинных имен – 255 символов, системный набор символов	255 символов, любые символы любых
Возможные атрибуты файла	Базовый набор	Базовый набор	всё, что придет в голову производителям программного обеспечения
Безопасность	нет	нет	да (начиная с NT5.0 встроена возможность физически шифровать данные)
Сжатие	нет	нет	да
Устойчивость к сбоям	средняя	плохая	полная – автоматическое восстановление системы при любых сбоях
Экономичность	минимальная (огромные размеры кластеров на больших дисках)	улучшена за счет уменьшения размеров кластеров	максимальна. Очень эффективная и разнообразная система хранения данных
Быстродействие	высокое для малого числа файлов, но быстро уменьшается с появлением большого количества файлов в каталогах.	полностью аналогично FAT, но на дисках большого размера начинаются серьезные проблемы с общей организацией данных	система не очень эффективна для малых и простых разделов (до 1 Гбайт), но работа с огромными массивами данных и внушительными каталогами организована как нельзя более эффективно и очень сильно превосходит по скорости другие системы